基于隨機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的多自主體系統(tǒng)的一致性研究.pdf

1、基于通信網(wǎng)絡(luò)的多自主體系統(tǒng)，是指各自主體（或智能設(shè)備）之間通過無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換和通訊，利用接收到的信息調(diào)整其自身狀態(tài)，從而整體形成一個(gè)系統(tǒng)。研究這樣一類控制系統(tǒng)，至少需要考慮其三方面的特性：第一，自主體本身系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的多樣性和復(fù)雜性；第二，控制協(xié)議的分布式特性，即要在沒有中央?yún)f(xié)調(diào)控制或者全局通信的情況下，自主體之間通過局部的相互耦合作用，達(dá)到系統(tǒng)的整體控制目標(biāo)；第三，無線通信網(wǎng)絡(luò)的局限性，包括通信連接丟失、時(shí)變的通信時(shí)延、由數(shù)據(jù)采

2、樣帶來的系統(tǒng)混雜性、以及信道傳輸噪聲等。
　　 一致性問題是多自主體系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制中一個(gè)重要又基本的問題。本文探討基于隨機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的多自主體系統(tǒng)的一致性問題，將該問題系統(tǒng)、明確地劃分為三個(gè)基本子問題，即可一致性（一致性問題是否可解）、一致條件、和協(xié)議設(shè)計(jì)，研究在通信約束下具有二階積分器和高階動(dòng)態(tài)的多自主體系統(tǒng)的上述三個(gè)問題。在進(jìn)行系統(tǒng)一致性分析時(shí)，引入系統(tǒng)變換，從而將多自主體系統(tǒng)的一致性問題轉(zhuǎn)化為降階系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題來解決；然后利

3、用代數(shù)圖論、隨機(jī)穩(wěn)定性理論、混雜系統(tǒng)理論等研究系統(tǒng)一致的條件：進(jìn)而通過分析得到的一致性條件，結(jié)合矩陣攝動(dòng)論、勞斯判據(jù)、概率論等相關(guān)工具研究系統(tǒng)可一致條件：最后利用線性矩陣不等式、網(wǎng)格搜索法等設(shè)計(jì)協(xié)議。論文的主要工作如下：
　　 1.研究隨機(jī)丟失網(wǎng)絡(luò)中離散時(shí)間多自主體系統(tǒng)的一致性問題，其中包括
　　 （1）.從二階積分器自主體入手，分別考察固定連接拓?fù)浜汀arKov隨機(jī)丟失網(wǎng)絡(luò)下的多自主體系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)一致的充分必要條

4、件。然后采用攝動(dòng)理論證明：系統(tǒng)的漸近一致（在固定連接拓?fù)湎拢┗蚓揭恢拢∕arKov切換拓?fù)湎拢﹩栴}可解，當(dāng)且僅當(dāng)固定的連接拓?fù)浠騇arKov切換拓?fù)浼系牟D含有有向生成樹；即使連接拓?fù)潆S機(jī)切換并且始終都不連通，也能保證系統(tǒng)的一致性問題可解，而且二階積分器系統(tǒng)的均方一致性問題是否可解與拓?fù)潆S機(jī)切換特性無關(guān)。最后提出了基于線性矩陣不等式的協(xié)議設(shè)計(jì)算法。
　　 （2）.將自主體動(dòng)態(tài)拓展到一般線性時(shí)不變系統(tǒng)，考察Bernoulli隨

5、機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接丟失概率對(duì)多自主體系統(tǒng)的影響。一方面指出連接權(quán)重對(duì)系統(tǒng)能否一致具有不可忽略的影響，明確了將連接權(quán)重作為控制參數(shù)的必要性。另一方面揭示了網(wǎng)絡(luò)連接丟失概率對(duì)系統(tǒng)均方可一致性的重要性，指出如果網(wǎng)絡(luò)連接丟失概率大于某個(gè)值，在狀態(tài)反饋線性協(xié)議下系統(tǒng)的一致性問題可能無解，同時(shí)給出了一個(gè)系統(tǒng)均方可一致所允許的網(wǎng)絡(luò)連接丟失概率上界。只要網(wǎng)絡(luò)連接丟失概率小于該上界值，并且平均連接拓?fù)浜杏邢蛏蓸洌敲创嬖诰W(wǎng)絡(luò)連接權(quán)重和線性協(xié)議使得系統(tǒng)均方收斂

6、到一致。最后給出了一種關(guān)于連接權(quán)重的設(shè)計(jì)方法。
　　 2.研究隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)中基于采樣數(shù)據(jù)的多自主體系統(tǒng)的一致性，其中包括
　　 （1）.從網(wǎng)絡(luò)中混雜驅(qū)動(dòng)的二階積分器自主體入手，考察當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中含有隨機(jī)連接丟失、時(shí)變通信時(shí)延、以及信道噪聲時(shí)系統(tǒng)的魯棒均方一致問題。引入隊(duì)列機(jī)制，一方面提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，另一方面使得所有自主體同步、周期地更新其控制輸入，同時(shí)連接拓?fù)涞碾S機(jī)切換特性也可以用Bemoulli分布來刻畫。對(duì)于該機(jī)制下的系統(tǒng)

7、，給出了系統(tǒng)均方一致的充分必要條件；并指出對(duì)于任意給定的采樣周期和緩沖器隊(duì)列時(shí)間，只要平均連接拓?fù)涫沁B通的，系統(tǒng)的均方一致性問題就可解；最后提出了一種基于搜索的一致性協(xié)議設(shè)計(jì)算法。
　　 （2）.將自主體動(dòng)態(tài)拓展到一般線性時(shí)不變系統(tǒng)，采用基于動(dòng)態(tài)輸出反饋的一致性協(xié)議，考察采樣周期對(duì)系統(tǒng)一致性的影響。首先揭示了與一階、二階積分器系統(tǒng)不同的，一般動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的一致性問題是否可解要依賴于采樣周期，如果采樣周期大于某個(gè)值，系統(tǒng)的一致性問題可

8、能無解。其次證明了只要固定連接拓?fù)洌ㄟB接拓?fù)涔潭ǖ那樾危┗蛘咂骄B接拓?fù)洌ㄟB接拓?fù)潆S機(jī)切換的情形）含有有向生成樹，那么當(dāng)采樣周期充分小時(shí)，系統(tǒng)是可一致性的，并且給出了協(xié)議參數(shù)的條件。然后結(jié)合混雜系統(tǒng)的相關(guān)分析分別給出了在固定連接拓?fù)浜碗S機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)下系統(tǒng)一致允許的采樣周期上界。最后提出了兩種一致性協(xié)議設(shè)計(jì)方法。
　　 3.建立了一個(gè)基于OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件的網(wǎng)絡(luò)化多自主體系統(tǒng)的仿真平臺(tái)，用來模擬多個(gè)具有二階積分器動(dòng)態(tài)的自主體在隨